– Всё новое – это хорошо забытое старое. Первые шаги в изучении металлических порошков и изобретении аддитивных технологий за рубежом были сделаны давно. Говорят, что в СССР существовали подобные методы. Например, наплавка. Если её немного модернизировать, то это уже почти аддитивные технологии, – говорит Рустам Миндиахметович.
На первом этапе в лаборатории появились две запатентованные установки по получению металлических порошков, разработанные совместно с сотрудниками кафедры двигателей летательных аппаратов Алексеем Шульцем, Константином Бромером и Евгением Сафоновым. На этом оборудовании исследовалась технология распыления жидких металлов в газовых струях.
– Когда мы только начали заниматься исследованиями в области аддитивных технологий, то ездили на стажировку во Францию, в Национальную инженерную школу Сент-Этьена. Там познакомились с крупным ученым Игорем Смуровым. Он поделился опытом, показал парк оборудования школы, рассказал о наиболее перспективных направлениях. Позже мы работали с профессором Смуровым по совместному гранту, – рассказывает Павел Александрович.
В лаборатории микропорошковых исследований только одна аддитивная установка, для селективного лазерного сплавления, то есть выращивания продукта слой за слоем из порошковых материалов.
– Она работает по такому принципу: трехмерная модель детали разбивается на ряд двумерных объектов, которые слой за слоем накладываются и сплавляются друг с другом. В каждом слое производится селективное, то есть выборочное, плавление части порошка, – поясняет Павел Лыков.
В ходе совместных работ с доктором физико-математических наук, профессором Александром Яловцом и использования установки селективного лазерного сплавления появилось более глубокое понимание процессов, сопровождающих взаимодействие лазера с металлическим микропорошком.
Изучив литературу и статьи других авторов по данному вопросу, ученые ЮУрГУ пришли к мысли, что аддитивные технологии развиваются параллельно с традиционными методами изготовления металлических деталей – литьем, фрезерованием и так далее, которые составляют им очень сильную конкуренцию. Павел Лыков и Рустам Байтимеров решили, что наиболее перспективное направление, которое отодвигает все остальные на второй план, – это использование композиционных материалов.
– Добавление упрочняющей фазы делает материал износостойким, и в этом случае с него сложно сточить лишнее. А если использовать композиционные порошки, то можно делать суперсложные детали. Открываются широкие перспективы: подбирая композиции, определенный металл и керамику, можно получать обширный спектр свойств, в зависимости от задач, которые необходимо решить производству, – говорит Павел Александрович.
Применять в аддитивных технологиях смесь порошков нецелесообразно. Перед учеными встала задача: получить композиционный порошок высокого качества, пригодный для использования в аддитивных технологиях. Совместно с научным руководителем НОЦ «Нанотехнологии», доктором технических наук Сергеем Сапожниковым была разработана технология модифицирования металлических микропорошков, включающая нанесение нанопорошка на поверхность металлического микропорошка. Исследование свойств полученного материала проводилось совместно с сотрудником НОЦ «Нанотехнологии», кандидатом химических наук Дмитрием Жеребцовым.
– У зарубежных коллег есть большая проблема: почти все лаборатории такого типа закупают расходные материалы для исследований – микропорошки – по очень высокой цене. Мы же сами производим этот порошок. Пока нам его хватает для самообеспечения лаборатории, – говорит Рустам Байтимеров.
Дальше последовал новый этап – исследование использования композиционных материалов в аддитивных технологиях. Ученые говорят, что на тот момент не так много лабораторий в мире занималось этой темой, а сейчас это направление стало одним из самых «модных». Оно требует вложения значительных финансовых средств, но и возможности открывает большие.
Ученые разных стран пытаются внедрить аддитивные технологии во многих сферах. Для медицины и авиастроения такие технологии уже «сегодняшний день». Например, корпорация Boeing сейчас занимается разработкой и внедрением в производство двигателя для самого большого пассажирского самолета. В нем есть детали, которые сделаны методом селективного лазерного сплавления. В медицине таким способом изготавливают зубные и костные импланты.
– Чтобы сделать человеку тазобедренный сустав или часть черепа, нужно изготовить конкретную индивидуальную деталь. Её делают после 3D-сканирования. При использовании традиционных методов это экономически невыгодно. Аддитивные же технологии позволяют занести 3D-модель в компьютер и через несколько часов получить готовое изделие. Можно даже сделать имплант с пористой структурой, чтобы костная ткань хорошо в него проросла, – говорит Павел Александрович, и добавляет, что уровень полученных результатов позволяет участвовать в международных конференциях и публиковать работы в зарубежных изданиях. За последние два года члены коллектива принимали участие в конференциях в Копенгагене, Бремене, Сингапуре, Детройте, Мюнхене. В июле в рамках работы по президентскому гранту планируется поездка Рустама Байтимерова в Сеул.
Сейчас ученые ЮУрГУ готовят несколько заявок на гранты, чтобы подготовить программу изготовления серии композиционных изделий на основе жаропрочных или цветных сплавов и керамической фазы. Главная задача на ближайшее время – выяснить, как меняется весь перечень механических свойств таких материалов. Исследователи надеются, что при получении хороших результатов откроется новая перспектива внедрения этих композиционных изделий и технологий в аэрокосмическую отрасль.